CN103353790A - 光线寻迹方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种光线寻迹方法与执行相关方法的装置，其应用于一光学指示器上，其中光传感器取得各种反射光径中所产生的光建设性与破坏性干涉的图像作为移动方向判断的依据，而采用同调光源可以增强此干涉效应。该方法包括由感测芯片中各感应元接收到自表面反射的反射光，根据各感应元在一时间间隔前后接收的光线计算各感应元所接收的能量，并计算在此时间间隔前后所有或部分感应元的能量状态，此方法能够根据感应芯片中的感应像素在该时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化判断一移动矢量。本发明可在各种样态的平面上仍具有寻迹的功能，适用于所有高反射或者很低反射率的平面上。

Description

光线寻迹方法与装置

技术领域

本发明涉及一种光指示装置，尤其涉及一种采用同调光干涉图案和特殊二位元采集呈像作为移动轨迹判断依据的光线寻迹方法与装置。 

背景技术

图1所示为现有的光学鼠标10的内部电路示意图，光学鼠标10于一表面11上移动，鼠标外壳12内部电路的主要元件除了一些光学元件外，电路部分设有一电路板14，电路板14上设有一控制与运算发射光和感测光的控制器18，以及一光源16与传感器19。 

于此光学鼠标10的外壳12上有一个朝向外部表面11的开槽（aperture）17，此电路板14即设于此开槽17附近，电路板14上设有如镭射或者发光二极管（LED）的光源16。当此光学鼠标10运作时，光源16连续产生发射光，以特定角度射向表面11，如图中虚线表示，经传感器19取得反射光的信号，或者取得反射光强度的影像分布（如传感器19可为CMOS或CCD影像传感器），控制器18即分析出光学鼠标10的移动方向。 

在上述熟知的光学鼠标10的轨迹判断的技术中，相当依赖由表面11取得的反射光的信号，因此一般光学鼠标10的功能将会随着表面11的形式而有不同的表现。 

比如，若表面11为透明或者不易反光的材质，则此光学鼠标10将无法顺利运作；若表面11包括起伏不均的非平面结构，此光学鼠标10也难以顺利操作，比如一块有皱摺的布。 

现有技术中，若欲让采用前述光传感器的寻迹装置在不同平面上仍保有一定寻迹的功能，取得光线移动行径的方式多使用额外的外部定位感测或者一些复杂的运算，但这些定位感测或者运算因为灵敏度的限制、高耗能与复杂的算法等原因而仅适用于有限的平面样态上。这些常见的方式并不适用于所有高反射或者很低反射率的平面上，甚至根本就无法达成光线寻迹的目的。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种光线寻迹方法与装置，解决了现有光线寻迹装置无法在不同平面上保有寻迹功能以及无法适用于所有高反射或者很低反射率的平面上的问题。 

本发明是这样实现的，一种光线寻迹方法，包括： 

一感应芯片接收自一表面反射的一反射光，该感应芯片包括以几何对称形式排列的多个感应元；

根据各感应元在一时间间隔前后接收的光线计算各感应元接收的能量；

计算该时间间隔前后所有或部分感应元的能量状态；以及

根据该感应芯片中感应元在该时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化，判断一移动矢量。

具体地，该反射光为空间同调性良好的光线。 

具体地，该反射光为一光源装置发射一光线射向该表面所产生。 

具体地，该光源装置为设于一光指示装置的镭射光装置。 

具体地，该感应芯片为设有阵列形式排列的该多个感应元的传感器阵列，设于该光指示装置内，用于接收所述反射光。 

具体地，经反复该光线寻迹方法的步骤计算多个时间间隔的移动矢量，据此判断出一移动轨迹。 

具体地，由一第一时间与一第二时间形成该时间间隔，该感应元于该第一时间或该第二时间的能量状态的计算步骤包括： 

计算该所有或部分感应元所接收能量的一平均值；以及

计算各感应元所接收的能量与该平均值的差异，其中该差异为各感应元于该第一时间或该第二时间的能量状态。

具体地，计算该感应元在该时间间隔前后的能量状态相对于采集时间前后统计平均值变化的步骤包括： 

判断各感应元于该第一时间能量状态；

判断各感应元于该第二时间能量状态；以及

取得该感应元于该第一时间至该第二时间的能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化，以判断该移动矢量。

本发明提供的一种采用如前所述的光线寻迹方法的光线寻迹装置，包括： 

一光源装置，用于产生一入射该表面的光线；

一传感器阵列，包括以阵列形式排列的该多个感应元；以及

一控制器，耦接该光源装置与该传感器阵列，用于取得该多个感应元所接收的光信号，并计算能量状态，以及计算该感应元在该时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化；

其中，该传感器阵列以及该控制器一起集成于半导体电路, 该光源装置和该集成的传感器阵列以及该控制器封装于该光线寻迹装置内的一电路板上。

具体地，该光线寻迹装置为一以镭射光为光源的光学指示装置。 

本发明提供的一种根据反射干扰进行光线寻迹的方法与光线寻迹装置，其应用表面反射的光与原发射光之间的光建设性与破坏性干涉的图像，作为寻迹识别的依据，可在各种样态的平面上仍具有寻迹的功能，适用于所有高反射或者很低反射率的平面上。 

附图说明

    图1所示为现有技术中的光学鼠标内部电路示意图； 

图2所示为本发明的入射平面与反射光的反射光径示意图；

图3所示为本发明光线寻迹装置中封装于一集成电路内的传感器阵列的示意图；

图4所示的流程为本发明光线寻迹方法的实施例步骤；

图5所示为本发明寻迹装置采用的传感器阵列的实施例示意图；

图6所示为本发明所揭示装置中感应元执行光线寻迹方法的示意图之一；

图7所示为本发明所揭示装置中各感应元执行光线寻迹方法的示意图之二；

具体实施方式

采用非同调光（non-coherent light）作为移动位置判断的技术通常需要复杂的资料运算程序，比如判断鼠标移动轨迹，这类的技术常限制在几种平面（比如避免使用光反射率过低的平面）上才能有较好的效果。有鉴于此，本发明揭示了一种光线寻迹方法与装置，实施例之一采用了同调光（coherent light）或说是一种空间同调性（spatial coherence）良好的光线作为光源，藉此侦测移动方向，并可结合灵敏度补偿（sensitivity compensation）的方式，利用一种光线寻迹算法（movement recognition algorithm），相关采用此技术的装置可以适用于各种样态的平面上。 

值得一提的是，本发明所提出的光线寻迹装置内可以采用一种同调光源整合型封装技术（coherent light source package integration），采用此类技术的装置，如光学指示装置，无须安装额外的光学透镜或特定影像传感器，如一种互补式金属氧化物半导体影像传感器（CMOS image sensor，CIS）。 

首先请先参看图2所示由一特定光源装置（未显示于此图）产生入射光201射向一平面再反射形成多个反射光203的示意图，光源特别是采用一种如镭射的同调光（coherent light），此处所描述的“同调光”是指一种空间同调性良好的光线。 

图2显示的多个光径包括入射光201射向一个具有表面结构205的平面，再反射形成反射光203。由于微观上表面结构205为不规则的结构，因此反射光203形成如图2所示有不同射向的光线。 

光源装置连续产生入射光201射向平面，并反射形成反射光203，过程中反射光203经由传感器（未显示于图2中）接收，各种光径中产生了光建设性与破坏性干涉的图像（pattern），此处特别使用同调光源的入射光201可以增强此干涉效应（interference effect）。 

当载有执行此寻迹方法的相关电路的装置相对于感测平面（X-Y平面）进行移动时，其中光传感器接收到反射光203的信息，再依据时间间隔（time slot）采样（sampling）其中信息资料，以及取得反射光203的平均能量值，并计算反射光203不同时间、不同位置的能量差异。特别是，本发明所揭示的光线寻迹装置较佳地采用一种感应器阵列（sensor array）以取得反射光203不同位置能量，以及与平均能量值的差异，即能判断出移动轨迹。其中反射光203平均值的计算可以采用全部感应元（sensor cell）取得的能量平均值，或者部分感应元取得的能量平均值，比如以行（如图5的X方向）平均值或列（如图5的Y方向）平均值为平均值的计算参考；亦可能采取外围或中间部分的能量平均值作为参考平均值。 

根据采用上述感应器阵列的实施例之一，若以同调光为光源，可以增强反射光线的干涉效应。同调光为一种在一波包（wave envelope）中具有非常小相位延迟（phase delay）的光源，其中镭射光即是一种同调光，不同于太阳光或LED光等非同调光。 

应用同调光于本发明揭示的寻迹装置中，同调光可以改善感测反射光干扰的光学传感器的灵敏度。因为同调光有很小相位差（phase difference）的特性，相对于非同调光的反射光所产生的空间干扰（spatial interference），同调光会有较小的相位延迟（phase delay）现象。因此，采用同调光可以加强反射光空间干扰的优点，前述传感器阵列（针对光线）可以取得经一个平面反射光的空间干扰差异。 

传感器阵列可参阅图3所示本发明光线寻迹装置中封装于一集成电路（IC）内的传感器阵列的示意图。 

图3中显示一个设于一装置（如光学鼠标或者特定指示装置）内电路板30上的传感器阵列32，传感器阵列32包括有阵列形式排列的多个感应元301，通过这个整合型封装的技术（integrated optical sensor array on IC），传感器阵列32上的各个感应元301可以在固定的位置平均取得经平面反射的光线。图3中由一光源装置34发射光线到一个平面上的照射范围303，之后光线经平面反射后射向传感器阵列32，其中各感应元301分别接收到不同方向的反射光，通过适当光电信号转换，装置内的和传感器阵列32一起半导体电路集成的控制器36与相关电路取得信号后可以计算出加总每个感应元301接收到的能量的平均值，再接着计算各个感应元301与平均值的差异，以取得由平面反射形成的空间干扰的能量差异（spatial interference difference），控制器36根据每个时间间隔（time slot）前后累积计算的能量差异判断出移动方向。 

上述实施例所揭示的光线寻迹装置中，所谓的空间干扰，当光线（特别是同调光，但发明不限于同调光）射向有不规则表面结构的表面后又反射产生不同方向的反射光而产生的光线干扰（interference），此光线经反射后产生建设性或破坏性的干扰图案，之后，由传感器阵列取得因为相对运动（装置与平面的相对运动）平面反射的空间信息后，建立在X-Y平面上的移动资料。 

如图3所示，特别于一实施例中，本发明所揭示的光线寻迹装置可为一以镭射光为光源的光学指示装置，如光学鼠标，其中主要电路元件包括设于一电路板30上的光源装置34，用于产生一入射表面的光线，包括有感测器阵列32，其中有以阵列形式排列的多个感应元301，以及包括有前述的控制器36，控制器36耦接光源装置34与传感器阵列32，用于取得多个感应元301内多个感应像素所接收的光信号，并计算能量状态，以及计算时间间隔的能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化。 

图4所示的流程为本发明光线寻迹方法的实施例步骤。 

在此实施例流程中，步骤开始如S401，由设于光线寻迹装置内的光源装置发射光线，射向一个表面，之后如步骤S403，由装置内的传感器接收反射光。 

根据实施例，光源较佳如同调光，主要目的是利用同调光较小相位延迟的特性改善利用反射光干扰侦测移动方向的灵敏度。其中光源装置可为设于光指示装置内的镭射光装置，而传感器则较佳采用如图3显示的传感器阵列。 

之后，本发明所揭示的光线寻迹方法主要通过计算前述时间间隔前后所有或部分感应元的能量状态，再根据感应元在时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化而判断一移动矢量，其中之一实施方式的细节如下。 

经传感器接收反射光后，如步骤S405，装置内控制电路计算一个时间间隔（time slot）前后的各感应元接收的能量，并如步骤S407，再计算所有或部分（可能非所有的感应元/感应像素（sensor pixel）都接收到足以计算能量的光线，如图6所载范例）感应元在该时间间隔前后所取得的能量平均值（同一时间至少处理两个值）。经前后不同时间计算各感应元的能量与所有或部分（比如以行平均值、列平均值、外围平均值、中央平均值为参考平均值）的能量平均值后，可以计算出各感应元接收能量与平均值的差值（在一实施例中，此处的差值可表示各感应元的能量状态），其中分别处理该时间间隔前后的至少两个差值，如步骤S409。时间间隔前后的两组数值之间可存在一个差异，也就是前后时间的能量变化，之后可根据感应芯片内的多个（至少两个）感应元所计算的能量变化判断出整体采用此寻迹技术的装置的移动矢量，如步骤S411。 

经反复上述光线寻迹方法的步骤可计算出多个时间间隔的移动矢量，据此判断出在一定时间内的移动轨迹。其中根据各感应元中感测到的能量变化判断装置与表面的相对移动的方式，可以参考图6、图7所记载的范例，步骤可参考图8所示的流程。 

图5则显示光线寻迹装置所采用的传感器阵列运作计算能量分布的实施例示意图，根据发明实施例，其中所提出的寻迹的演算方式通过此图5所示的电路结构以及传感器阵列。 

图5显示了传感器阵列的布局，多个感应元分布于X-Y平面上，形成NxM的传感器阵列，包括阵列形式排列的多个感应元501, 502, 503, 504, 505，分别沿着X， Y方向设置，实际数量并不限于此示意图。铺设这些感应元501, 502, 503, 504, 505的电路板上主要元件还有多个比较器521, 522, 523, 524, 525，各个比较器分别连接对应的两个感应元，输入值为各个感应元产生的能量的平均电压信号Vavg，用于比较感应元感测到光线后所得到的电压信号，可以比较得到高低电压的信号值。最后，寻迹方法即取得相邻两个传感器值比对结果，作出移动方向的判断。 

比如图5中比较器521耦接于感应元501，其中一个输入信号即感应元501所感测产生的能量信号，可以用电压信号表示，另一输入端则为平均电压信号Vavg，因此比较器521比对这两个输入信号，可以输出一个比较结果，比如图6所示H或L分别表示的高低电压信号。 

根据本发明所记载的光线寻迹方法中，寻迹的方式特征在于利用光线（较佳为同调光）经平面反射后形成的建设性与破坏性干扰图案中显示的能量分布（energy pattern），通过不同时间的能量分布变化判断移动矢量。其中实施方式比如采用非相关视点进行移动判断（non-relative view points to do movement judgment）的方式，也就是引入周围感应元的能量信息，与平均感应能量进行比对判断移动方向。值得一提的是，这不同于一般利用影像像素（pixel）信息判断移动矢量的方式，本发明是通过采用时间与计算能量变化(二位元的读值，和统计平均值比较的结果，H和L)而判断出移动轨迹。 

应用不同时间能量变化判断移动方向的步骤如图8显示。步骤S801描述装置先取得各感应元于前后时间（t0, t1）接收的能量，再计算前后时间能量的全部或部分感应元接收能量的平均值，如步骤S803。各感应元不同时间所取得的能量数值（可以电压信号表示）与平均数值比对后，可以计算前后时间的能量变化，如步骤S805。 

之后参考在不同时间（t0, t1）的感测元的能量变化，可以判断前后时间能量变化的方向，如步骤S807。最后如步骤S809所载，可以通过多个感测元的能量变化方向来判断整体移动矢量。 

在图8所述通过前后能量变化判断移动矢量的方式中，感应元在前后时间的能量可以一种以电压形式表示的能量状态，比如与整体同一时间的能量平均值比较后可以取得一个如图6所示的H或L表示的能量状态。因此，先判断各感应元分别于第一时间（t0）与第二时间（t1）的能量状态，之后取得感应元于第一时间至第二时间的能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化，可以判断移动矢量。 

移动矢量的判断可以参考图6所示本发明所揭示装置中多个感应元执行光线寻迹方法的示意图。 

此例显示有多个阵列排列的感应元组合601, 602, 603, 604, 605, 606，此例仅示意列举通过相邻感应元在不同时间（如第一时间t0，第二时间t1）感测到的能量变化而辨识移动矢量的范例。 

其中t0与t1为前后两个采样时间，H与L分别表示由前述比较器所输出的高低电压信号，也就是可视为能量状态（相较于平均能量为一个能量状态），主要是通过前后时间的电压信号转变判断出一个整体的移动矢量。图6显示为个别感应元中在前后两个不同时间的能量变化。 

比如感应元组合601中示意显示几个（至少两个）感应元，其中左方显示在第一时间t0时，两个感应元分别感应到L与H两个能量状态；当进入第二时间t1时，两个感应元的能量变化则转变为H与H。当L、H（t0）转变为H、H（t1）时，其中有个感应元的能量状态由L转变为H，表示由右方的H替补到左方的位置，因此可以初步判断在此时间间隔中有效感应的移动方向为向左。 

而此感应元组合601的另一组感应元在第一时间t0时，能量状态为H与L；到了第二时间t1，能量状态则为L与L，其中有个感应元能量状态的由H转变为L，也就是表示右方的L替补到左方的位置，因此可以判断有个向左的移动方向。 

再如感应元组合602内左方的两个感应元在第一时间t0的能量状态为L与H，到了第二时间t1改变为L与L，可以看出其中的H经左方的L向右替补成为L，因此初步判断有个向右的移动矢量。 

同理，感应元组合602内的右方有两个感应元在第一时间t0的能量状态为H与L，之后到了第二时间t1时变化成为H与H，其中右方的L经左方的H替补转变为H，因此可以判断出有个向右的移动矢量。 

图中感应元组合605与606并没有箭头标示方向，经判断为此例中多个感应元在第一时间t0与第二时间t1的时间间隔中没有能量变化，或者无法通过其中能量变化判断出移动方向，比如感应元组合606在第一时间t0能量状态为L与H，到了第二时间t1，能量状态转变为H与L，这是无法通过能量状态变化来判断移动方向的。因此，这两种态样是没有有效输出信号的。 

当前后两个时间的全部感应元都判断了各自能量变化的方向时，可以整体判断出一个总体的移动矢量。 

另一个移动方向判断的方式如图7所示为本发明所揭示装置中感应芯片执行光线寻迹方法的示意图之二。此例通过不同时间的感应元能量状态的转换方向以辨识移动矢量的方法示意图，其中X为不在意的值，为t0与t1所感应信号的比对，藉此判断移动矢量。 

经感应芯片接收到反射光时，感应芯片内的多个感应元在不同时间根据接收的信号能量与平均能量比较时，产生有高低不同电压信号，如图7所示为产生有感应信号“”；在一些情况下，仍有可能部分的感应元并没有能量变化，或者无关电压信号的高低，此时如图7显示为不在意的值“X”。 

根据图7所示的实施例，在感应元组合701中，经前述比较器于第一时间t0取得相邻感应元的能量变化，表示为状态“X”，其中“X”为不在意值，“”表示有高低电压变化；在第二时间t1取得几个相邻感应元的能量变化，表示为状态“X”。经第一时间t0与第二时间t1的各感应元的能量状态变化，此例显示状态“X”转变为“X”，可以判断“”向左位移（shift），因此可以判断这个感应元组合701有一个向左移动的变化，如图中箭头所示。 

在感应元组合702中，其中相邻的感应元在第一时间t0的能量变化表示为状态“X”，在第二时间t1时，能量状态表示为“X”，此时可见经时间转变（t0到t1）后，其中状态“”显示有向右位移的趋势。因此，本发明所揭示的寻迹方法则利用此前后时间的能量变化判断整体装置的移动方向。 

值得一提的是，在判断移动方向时，由于发明采取了传感器阵列，因此微小的误差并不会影响整体判断的结果。若寻迹方法应用于计算机光学鼠标上，一般使用者操作鼠标的移动频率远低于其中如控制电路的处理速度，一些缓慢改变的参考数值并不会影响整体判断。 

综上所述，本发明提供的一种根据反射干扰进行光线寻迹的方法与光线寻迹装置，所揭示的光线寻迹装置整合于一半导体封装内，藉此可以有效压抑内部固有的噪声（intrinsic noise），而应用其中寻迹方法的装置则特别采用同调光作为光源，同调光可以改善感测反射光干扰的光学传感器的灵敏度。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1. 一种光线寻迹方法，其特征在于，包括：

一感应芯片接收自一表面反射的一反射光，该感应芯片包括以几何对称形式排列的多个感应元；

根据各感应元在一时间间隔前后接收的光线计算各感应元接收的能量；

计算该时间间隔前后所有或部分感应元的能量状态；以及

根据该感应芯片中的感应元在该时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化，判断一移动矢量。

2.如权利要求1所述的光线寻迹方法，其特征在于，该反射光为空间同调性良好的光线。

3.如权利要求2所述的光线寻迹方法，其特征在于，该反射光为一光源装置发射一光线射向该表面所产生。

4.如权利要求3所述的光线寻迹方法，其特征在于，该光源装置为设于一光指示装置的镭射光装置。

5.如权利要求4所述的光线寻迹方法，其特征在于，该感应芯片为设有阵列形式排列的该多个感应元的传感器阵列，设于该光指示装置内，用于接收所述反射光。

6.如权利要求5所述的光线寻迹方法，其特征在于，经反复该光线寻迹方法的步骤计算多个时间间隔的移动矢量，据此判断出一移动轨迹。

7.如权利要求1所述的光线寻迹方法，其特征在于，由一第一时间与一第二时间形成该时间间隔，该感应元于该第一时间或该第二时间的能量状态的计算步骤包括：

计算该所有或部分感应元所接收能量的一平均值；以及

计算各感应元所接收的能量与该平均值的差异，其中该差异为各感应元于该第一时间或该第二时间的能量状态。

8.如权利要求7所述的光线寻迹方法，其特征在于，计算该感应元在该时间间隔前后的能量状态相对于采集时间前后统计平均值变化的步骤包括：

判断各感应元于该第一时间能量状态；

判断各感应元于该第二时间能量状态；以及

取得该感应元于该第一时间至该第二时间的能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化，以判断该移动矢量。

9.一种采用如权利要求1所述的光线寻迹方法的光线寻迹装置，其特征在于，包括：

一光源装置，用于产生一入射该表面的光线；

一传感器阵列，包括以阵列形式排列的该多个感应元；以及

一控制器，耦接该光源装置与该传感器阵列，用于取得该多个感应元所接收的光信号，并计算能量状态，以及计算该感应元在该时间间隔前后能量状态相对于采集时间前后统计平均值的变化；

其中，该传感器阵列以及该控制器一起集成于半导体电路, 该光源装置和该集成的传感器阵列以及该控制器封装于该光线寻迹装置内的一电路板上。

10.如权利要求9所述的光线寻迹装置，其特征在于，该光线寻迹装置为一以镭射光为光源的光学指示装置。

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